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今日，自然旗下的《光：科學與應用》在線刊登了來自美國聖路易斯華盛頓大學（Washington University in St. Louis）電子工程系楊蘭教授研究組和計算機系呂晨陽教授研究組合作的題為“wireless whispering-gallery-mode sensor for thermal sensing and aerial mapping”的文章。該工作首次實現了以光學微腔為傳感器的無線物聯網設備，開創了超敏感光學微腔傳感器在物聯網的應用。和傳統的電子傳感器相比，光學微腔傳感器將會為物聯網在高精度測量領域的應用帶來突破。
物聯網（IoT）的基礎是空間上大量分佈的無線傳感設備。利用互聯網，他們能夠產生、交換和分析數據，從而實現極大量普通物體的實時互聯互通。近20年來，物聯網一直在改變著我們的生活方式，被大規模地應用於環境監測、醫療監控、智慧城市和精準農業。到目前為止，在物聯網領域使用的傳感器主要基於電子半導體設備。近年來，微腔光子學在傳感領域取得了一系列科學突破，尤其在高精度高敏感測量方面（例如納米粒子檢測）。同時，與電子傳感器容易受到外界磁場等環境干擾不同，光學傳感器具有電磁免疫的優點，因而可以適用於極端的工作環境。所以微腔光子傳感器在物聯網領域有巨大潛力。
該工作所提出的光學無線傳感器基於一種迴音壁模式的光學微腔。這種傳感器只有微米量級的尺寸大小，並且具有極高的品質因子，繼而擁有極高的靈敏度。但是需要把這種光學微腔傳感器引入物聯網的應用領域需要克服兩大障礙：（1）如何確保輸入激光耦合的穩定性，（2）如何把可調諧激光器、示波器、波形發生器、光電二極管、控制電腦等大型實驗室平臺設備嵌入到只有手機大小的嵌入式系統上。
圖一
圖一（a）和（c）中可以看到該系統使用了分佈式布拉格反射激光器作為光源，並通過器的調諧是通過高精度恆流源電路和熱電製冷器溫控電路進行調諧。激光通過光纖進入耦合封裝好的光學微腔傳感器，輸出端則接入光電二極管探測器，隨後通過跨導放大器電路把光電流信號轉化為電壓信號並由模數信號轉化器採集。整個系統的大腦採用意法半導體的STM32F103微處理器芯片，調節激光器溫度、電流、電壓 並控制用來連接網絡的WiFi模塊。圖一（b）整個物聯網傳感設備由定製設計的蘋果手機應用軟件控制。藉助無線互聯網的優勢，該設備聯入互聯網即可實現手機端的全球實時控制。該軟件名為“microCavity”可以通過蘋果應用商店下載。該應用軟件需要配合設備來使用，同時也植入了演示功能，能夠模擬光學微腔傳感器的傳輸譜線以及各種動畫仿真效果的實現。
圖二
圖二（a）展示了APP控制掃描下得到的頻譜寬度為450GHz的光學微腔傳感器譜線。我們可以觀察到不同品質因子的光學模式。圖二（b）展示了一個品質因子為10的5次方量級的模式，為工作中被選用的模式。圖二（c）展示了15分鐘模式線寬的系統控制的穩定性。
圖三
圖三展示了一個使用該無線物聯網光傳感系統採集的美國聖路易斯市2017年6月18日的氣溫變化曲線。該系統被放置於建築物外牆上，系統的控制和光學傳輸譜線以及模式移動的計算依靠手機APP的無線控制採集來實現，並對比了商用溫度計的採集數據。
圖四
圖四（a）（b）展示了用大疆Mavic無人機搭載該系統進入的美國聖路易斯森林公園野餐島的溫度分佈掃描實驗。從圖四（c）中可以觀察到該區域的溫度梯度分佈。
該文章的第一作者是聖路易斯華盛頓大學電子和系統工程系博士研究生許祥益，通訊作者為楊蘭教授。合作教授是計算機系呂晨陽教授。楊蘭教授是美國聖路易斯華盛頓大學電子和系統工程系Edwin H. & Florence G. Skinner 教授、美國光學學會Fellow，曾獲得美國自然科學基金會CAREER獎、美國總統青年科學家獎等獎項。楊蘭教授大量研究成果發表在《自然》，《科學》，《自然-光子學》，《自然-物理學》，《自然-納米科技》，《自然通訊》，《美國國家科學院院刊》等期刊。呂晨陽教授是美國聖路易斯華盛頓大學計算機系Fullgraf 教授、IEEE Fellow。呂晨陽教授是物聯網與實時嵌入式系統領域的國際領軍學者，曾擔任頂級期刊
ACM Transactions on Sensor Networks主編，現任IEEE實時系統技術委員會主席。原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41377-018-0063-4
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